基于RTM的三明治型復(fù)合板材加工與性能測(cè)試

賈立霞 陳振宏 劉君妹 田 飛

(河北科技大學(xué)，河北石家莊，050018)

樹脂傳遞模塑(Resin Transfer Molding，以下簡(jiǎn)稱RTM)是在一定壓力下注膠、在密閉容器(模具)中低壓成型的復(fù)合材料生產(chǎn)方法[1]，近年來在輕量化能源發(fā)展趨勢(shì)下，被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。RTM工藝對(duì)形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜及中大型零件的制造成本相對(duì)較低，且由于RTM是一個(gè)封閉的成型過程，因此其具有較好的表面結(jié)構(gòu)和外觀。RTM的優(yōu)勢(shì)是它可以通過改變纖維體積分?jǐn)?shù)，從而改進(jìn)結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù)。又由于通常使用高剛性的鋼作為模具，即使在較高壓力注射的情況下，依然可以得到光滑的表面及高精度的復(fù)雜構(gòu)件[2]。本文采用RTM工藝加工新型三明治型復(fù)合板材，并與手糊成型的板材進(jìn)行性能測(cè)試對(duì)比分析。

1 增強(qiáng)預(yù)制件的織造加工

三維間隔機(jī)織物復(fù)合材料是一種新型的紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，增強(qiáng)體為三維間隔機(jī)織物，是一種整體織造成型、層與層之間紗線相連，呈中空的紡織結(jié)構(gòu)。這種復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、隔熱性和抗沖擊性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、整體性能優(yōu)異等特點(diǎn)[3]?？紤]到三維間隔機(jī)織物特殊的紗線交織結(jié)構(gòu)，具有靈活多尺度可設(shè)計(jì)性，可以通過改變纖維種類、紗線線密度、經(jīng)緯密等來滿足織物的不同力學(xué)性能[4]。本文選取間隔機(jī)織物為增強(qiáng)體，內(nèi)部填充泡沫材料制成增強(qiáng)預(yù)制件。

1.1 增強(qiáng)體原料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到纖維原料的可織造性能，本試驗(yàn)預(yù)制件的纖維原料采用高強(qiáng)低伸的工業(yè)滌綸長(zhǎng)絲，長(zhǎng)絲規(guī)格為111.11 tex/192 F?？椩煸O(shè)備選用Y200S型電子小樣織機(jī)。為了降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)織造難度，盡量減少對(duì)織物力學(xué)性能影響，并保證織物表面的平整，本文選擇平紋組織作為織物的面層組織。地經(jīng)紗和接結(jié)經(jīng)紗的設(shè)計(jì)比列為14∶2，織物的經(jīng)緯密均為80根/10 cm，上下兩層織物之間的接結(jié)紗高度為1.2 cm，接結(jié)紗間距為1 cm，織物的規(guī)格分別為36 cm×23 cm，23 cm×23 cm(織物的規(guī)格尺寸根據(jù)后續(xù)填充復(fù)合模具的尺寸而定)。間隔機(jī)織物增強(qiáng)體成品如圖1所示。

圖1 間隔機(jī)織物增強(qiáng)體經(jīng)向視圖

1.2 增強(qiáng)預(yù)制件的加工

用自行設(shè)計(jì)的模具將待填充的間隔機(jī)織物固定在36 cm×16 cm×1.2 cm的模具中，保證上下面層平整，且使間隔空腔充分打開，便于泡沫填充，織物在模具中的狀態(tài)如圖2所示。填充材料選用聚氨酯泡沫，根據(jù)反復(fù)填充經(jīng)驗(yàn)，填充密度選為0.09 g/cm3，黑白料配比為1∶1，兩種原料混合后經(jīng)高速攪拌，注入填充模具中，實(shí)現(xiàn)間隔機(jī)織物的發(fā)泡填充。

2 間隔機(jī)織物板材復(fù)合成型工藝

復(fù)合材料的成型工藝系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜，必須滿足對(duì)制品尺寸、形狀要求，低成本成型是近年來復(fù)合材料發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。目前應(yīng)用較廣泛的工藝包括手糊成型、真空袋壓成型、模壓成型、RTM成型和熱壓罐成型等[5-6]。不同的制造工藝導(dǎo)致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能存在差異。

對(duì)于間隔機(jī)織物復(fù)合板材大多采用手糊成型方法，雖然成本較低，但容易造成涂敷不勻影響復(fù)合板材質(zhì)量和整體性能；由于板材厚度較大，中間填充聚氨酯泡沫材料，樹脂浸潤不充分，復(fù)合時(shí)不能一步成型，需將板材的兩個(gè)織物表面逐一復(fù)合，加工的板材性能一致性較差。根據(jù)板材的形狀和性能要求，本文選擇使用真空輔助RTM工藝對(duì)泡沫填充的間隔機(jī)織物進(jìn)行板材復(fù)合。在工藝設(shè)計(jì)中考慮到聚氨酯泡沫的熔點(diǎn)溫度及樹脂的流動(dòng)性問題，合理選擇注膠、固化的溫度和時(shí)間，加工制得表面平整、纖維與樹脂充分結(jié)合、整體性能良好的新型三明治復(fù)合板材。

2.1 試驗(yàn)原料

綜合考慮RTM成型工藝的技術(shù)要求以及增強(qiáng)材料與樹脂的相容性、浸潤性，選擇環(huán)氧樹脂E51作為樹脂基體，配套使用環(huán)氧專用固化劑、環(huán)氧樹脂專用促進(jìn)劑，并按照一定比例均勻混合。此外，還有內(nèi)、外脫模劑以及真空輔助用氣體干燥瓶(酸、堿、干燥劑)等材料。

2.2 復(fù)合工藝流程

真空輔助RTM成型工藝流程如下。

(1)模具準(zhǔn)備。清理模具后擦拭脫模劑，然后預(yù)熱模具。

(2)充模。將切割整齊的間隔機(jī)織物預(yù)制件鋪入模具，安裝密封條，密封模具。

(3)抽真空。避免模具中空氣的包裹形成氣泡。

(4)注膠。為保證樹脂對(duì)增強(qiáng)纖維的浸潤以及復(fù)合均勻充分，進(jìn)行了三次循環(huán)注膠,注膠時(shí)間為20 min。

(5)固化。固化溫度選擇80 ℃、2 h，100 ℃、3 h，120 ℃、3 h。

(6)開模。固化完成后打開模具，取出成型后的板材。

RTM 工藝成型過程中為了使樹脂能夠充分在纖維增強(qiáng)材料中填充流動(dòng)和浸潤，要求所采用的樹脂體系工藝操作窗口(低黏度平臺(tái)時(shí)間)不小于 30 min[7]，本試驗(yàn)注膠溫度設(shè)定60 ℃，此時(shí)樹脂流動(dòng)性最佳，黏度200 mPa·s。

手糊成型又稱接觸成型工藝，是手工作業(yè)把填充完聚氨酯泡沫的增強(qiáng)體與樹脂黏結(jié)，然后固化成型的工藝[7]，樹脂配比以及固化溫度選擇與上述RTM工藝相同，根據(jù)增強(qiáng)預(yù)制件用紗量及板材體積，計(jì)算得出兩種方法加工的板材纖維體積含量均為2%(滌綸長(zhǎng)絲密度1.38 g/cm3)。

3 復(fù)合板材力學(xué)性能測(cè)試與分析

3.1 彎曲性能測(cè)試與分析

材料彎曲性能測(cè)試的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T 1456—2005《夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗(yàn)方法》。試樣規(guī)格160 mm×30 mm，試驗(yàn)儀器UTM5105型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試速度2.0 mm/min，定位移2 cm，每種板材測(cè)試3塊試樣，測(cè)得間隔機(jī)織物復(fù)合板材最大抗彎曲載荷，試驗(yàn)結(jié)果如下所示。其中，手糊成型的方差18.35，RTM成型方差762.96。

成型方法 手糊成型 RTM成型

試樣1/N 49.12 138.60

試樣2/N 56.29 202.58

試樣3/N 59.34 189.65

平均值/N 54.92 176.94

測(cè)試過程中觀察板材的彎曲情況，兩種不同成型方法的復(fù)合板材彎曲過程近似。初始階段，板材在彎曲載荷作用下整體發(fā)生彈性形變，上表面主要承受壓應(yīng)力，下表面主要承受拉應(yīng)力[8]，曲線呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，該階段屬于彈性變形區(qū)；當(dāng)板材上層面板壓縮變形達(dá)到極限，面板與芯體發(fā)生分層破壞，板材進(jìn)入屈服區(qū)；當(dāng)上層面板彎曲，撓度到達(dá)一定值，板材遭到彎曲破壞，載荷達(dá)到最大，即為材料破壞載荷[9]。隨著位移的增加載荷緩慢下降，呈現(xiàn)非線性或塑性彎曲,板材失效。由于板材中的接結(jié)紗樹脂柱連接上下兩層面板，并與芯體材料協(xié)同作用，共同承受彎曲載荷的作用，曲線呈平緩下降的趨勢(shì)，說明板材整體未發(fā)生瞬間破壞。當(dāng)載荷消失后，變形會(huì)逐漸恢復(fù)[10]。兩種板材的彎曲測(cè)試曲線如圖3所示，板材彎曲形態(tài)如圖4所示。

雖然兩種成型工藝復(fù)合的板材均沒有發(fā)生完全斷裂破壞，但RTM復(fù)合成型的板材所能承受的彎曲載荷以及彈性模量遠(yuǎn)大于手糊成型板材。這是因?yàn)閺澢^程中主要承受載荷的是面層的基體材料，而 RTM真空輔助成型工藝中，增強(qiáng)體預(yù)制件在真空加壓狀態(tài)下進(jìn)行循環(huán)注膠，這種加工方法使樹脂較容易滲透到面層織物內(nèi)部，使樹脂與填充材料黏結(jié)或與接結(jié)紗結(jié)合形成樹脂柱。此外，材料上下層面板的樹脂分布均勻，使板材的整體性能得到加強(qiáng)，從而提高復(fù)合板材的抗彎曲性能。手糊成型的間隔機(jī)織物板材氣泡較多，表面平整度較差，其孔隙率也比較大，表面厚度不均勻，同等重量的樹脂，由于手糊成型過程中沒有外力載荷壓迫，樹脂基本黏附在織物表面，使得成型板材表面有過多樹脂剩余，富余的樹脂會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料整體性能降低。

圖3 兩種復(fù)合板材的彎曲載荷-位移曲線

3.2 壓縮性能測(cè)試與分析

材料壓縮性能測(cè)試的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T 1453—2005《夾層結(jié)構(gòu)或芯子平壓性能試驗(yàn)方法》。試驗(yàn)儀器采用UTM5105型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，試樣規(guī)格60 mm×60 mm，測(cè)試速度1.0 mm/min,每種板材測(cè)試3塊試樣。對(duì)兩種成型工藝所得復(fù)合板材分別進(jìn)行壓縮測(cè)試，定位移4 mm，最大位移時(shí)壓縮力如下所示，壓縮位移-載荷曲線如圖5所示。其中，手糊成型板材方差2 117.15，RTM成型板材方差7 951.28。

成型方法 手糊成型 RTM成型

試樣1/N 600.88 5 897.11

試樣2/N 697.26 5 719.34

試樣3/N 598.47 5 698.32

平均值/N 632.20 5 771.59

圖5 兩種復(fù)合板材的壓縮載荷-位移曲線

由圖5曲線可知，不同成型方法的間隔機(jī)織物復(fù)合板材壓縮性能顯著不同。RTM工藝復(fù)合板材在承受壓縮載荷過程中，呈現(xiàn)明顯的階段性變化。受力初始階段，載荷與變形之間呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，反映了填充材料和接結(jié)紗樹脂柱的彈性性能和填充泡沫的強(qiáng)度特性，這一階段外力消失后材料完全能夠恢復(fù)到原來的形狀。第二階段為屈服區(qū)，曲線變化趨勢(shì)緩和，這是由于填充材料失穩(wěn)，接結(jié)紗樹脂柱受力彎曲變形，材料發(fā)生緩沖吸能。第三階段為壓實(shí)區(qū)，填充聚氨酯泡沫被載荷壓垮后，板材進(jìn)入壓實(shí)區(qū)，載荷迅速增大。曲線進(jìn)入彈性區(qū)之前有一小段的屈服，這是因?yàn)榘宀谋砻娲植冢趬嚎s過程中板材上表面先受到平壓載荷作用，再發(fā)揮填充泡沫和接結(jié)紗樹脂芯柱的彈性性能。手糊成型板材在較小力值下迅速變形，彈性模量較小。由圖5可知，隨著位移的增加，載荷雖呈上升趨勢(shì)，幅度較小，但位移增加載荷繼續(xù)增大，壓縮后失效板材如圖6所示。

分析其原因：主要因?yàn)槭趾ǖ玫降膹?fù)合板材填充的聚氨酯泡沫與接結(jié)紗之間黏結(jié)強(qiáng)度較低，樹脂復(fù)合工藝中，沒有外力載荷的作用，不利于樹脂的滲透。承壓的主要是中間填充的泡沫，泡沫被擠壓逐漸裂開，與接結(jié)紗分離，影響復(fù)合板材的整體性能。RTM復(fù)合板材的內(nèi)部接結(jié)紗與樹脂，聚氨酯泡沫三者結(jié)合后，形成樹脂柱，承壓的主要是樹脂柱與泡沫協(xié)同作用，泡沫為接結(jié)紗樹脂柱提供橫向支持，阻止其在壓縮載荷下發(fā)生彎曲而失效；垂直樹脂柱為泡沫提供穩(wěn)定性，防止板材因泡沫坍塌而失效，使得板材整體具有良好的抗壓性能。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于厚度為1.2 cm的泡沫填充增強(qiáng)預(yù)制件，可以采用RTM工藝進(jìn)行復(fù)合，制得新型三明治復(fù)合板材。

(2)RTM工藝復(fù)合板材在成型工藝中，采用真空壓力注膠，加強(qiáng)了樹脂與聚氨酯泡沫結(jié)構(gòu)以及接結(jié)紗之間的結(jié)合牢度，相比手糊工藝得到的復(fù)合板材具有更好的整體穩(wěn)定性、抵抗彎曲和壓縮載荷的能力，也反映了較好的彈性模量。兩種板材在彎曲和壓縮載荷作用下均不存在面芯層剝離現(xiàn)象和災(zāi)難性失效形式，板材的受損過程是漸變的，RTM復(fù)合板材可在較大載荷下較長(zhǎng)時(shí)間保持結(jié)構(gòu)整體性。